DE2941481C2

DE2941481C2 - Verfahren zur Frequenzbandbegrenzung eines Analogsignals

Info

Publication number: DE2941481C2
Application number: DE19792941481
Authority: DE
Inventors: Björn 3100 Celle Blüthgen
Original assignee: Polygram 2000 Hamburg De GmbH
Current assignee: Polygram 2000 Hamburg De GmbH
Priority date: 1979-10-12
Filing date: 1979-10-12
Publication date: 1982-09-09
Also published as: DE2941481A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Unterdrückung unerwünschter Frequenzanteile eines Analogsignals oberhalb der oberen Frequenzgrenze »eines Nutzfrequenzbereichs.

Bei der Be- und Verarbeitung von Tonprogrammen im Rahmen der Studiotechnik müssen an die Filtermittel, die für die Begrenzung der Bandbreite der Tonsignale erforderlich sind, höhe Anforderungen hinsichtlich Flankensteilheit, Dämpfung im Sperrbe* reich Und geringe Welligkeit im Durchlaßbereich bei minimaler Dämpfung und Verzerrungsfreiheit gestellt Werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, diesen Filtefaufwand erhebⁱ

lieh zu verringern.

Ausgehend von einem Verfahren der einleitend genannten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Analogsignal unter Beachtung des Abtasttheorems im Rhythmus einer Abtastfrequenz abgetastet und die so gewonnenen Augenblickswerte in PCM-Codeworte umgesetzt und anschließend aus jeweils zwei aufeinanderfolgenden PCM-Codeworten durch Differenzbildung PCM-Differenzcodevorte gebildet werden, die jeweils ein die Polarität anzeigendes Hilfscodeelement aufweisen, daß ferner diese PCM-Differenzcodeworte einem Auswerter mit einem Polaritätsfolgendiskriminator zugeleitet werden, der in Abhängigkeit von wenigstens zwei im Rhythmus der Abtastfrequenz hintereinander auftretenden Polaritätswechseln das jeweils mittlere PCM-Differenzcodewort durch ein PCM-Differenzcodewort umgekehrter Polarität ersetzt, das wenigstens aus dem unmittelbar vorausgehenden und unmittelbar nachfolgenden PCM-Differenzcodewort abgeleitet wird und daß die in dieser Weise modifizierte PCM-Differenzcodewortfolge schließlich in das ursprüngliche Analogsignal ruckgewandelt wird.

An sich ist es beispielsweise durch die DE-OS 21 24 754 bekannt, im Zuge der Anwendung digitaler Übertragungsverfahren ein Analogsignal unter Beachtung des Abtastthrorems abzutasten, die Abtastwerte zu codieren und gegebenenfalls auch durch Differenzbildung von einer Differenzcodierung Gebrauch zu machen.

Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß sich bei einer Umsetzung eines Analogsignals in eine PCM-Differenzcodewortfolge unerwünschte Signalteile im Frequenzbereich zwischen der vorgegebenen oberen Grenzfrequenz des Analogsignals und der

Abtastfrequenz durch Wechsel der Polarität H H

oder - + - aufeinanderfolgender PCM-Differenzcodeworte anzeigt und somit solche unerwünschten Signalanteile dadurch unterdrückt werden können, daß dieser Polaritätswechsel aufgehoben unJ zugleich dafür gesorgt wird, daß der Amplitudendifferenzwert des in seiner Polarität umgekehrten PCM-Codewortes den Amplitudendifferenzwerten der ihn umgebenden PCM-Differenzcodeworte angepaßt wird.

Da Digitalbausteine in integrierter Technik in ausreichender Anzahl bei relativ geringem Preis zur Verfügung stehen, läßt sich also auf diese Weise ein Filtersperreffekt unmittelbar oberhalb der oberen Grenzfrequenz dis Analogsignals herbeiführen, der ansonsten nur mit Filtern sehr großer Flankensteilheit erreicht werden kann. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich also der erforderliche filteraufwand wesentlich verringern.

Bei einer bevorzugten Verfahrensweise wird das PCM-Differenzcodewort umgekehrter Polarität wenigstens aus dem unmittelbar vorausgehenden und unmittelbar nachfolgenden PCM-Differenzcodewort durch Mittelwertbildung gewonnen.

Bei der Be- und Verarbeitung von Tonprogrammaterial /.ur kommerziellen Verwertung durch Vervielfält. guiig ist es erforderlieh, bei der Aufnahme insbesondere von Musikwerken, die höheren Frequenzanteile in ihrer Amplitude anzuheben (Preemphase), Um auf diese Weise einen hohen Signal-GeräUschabstand zu erzielen. Das Anheben der hohen Frequenzen bei der Aufzeichnung von Tönsignaien auf magnetische Tonträger sowie beim Schneiden von Lackfolien für die Produktion von Schallplatten führt in Abhängigkeit der Amplituden^

änderungsgeschwindigkeit zu frequenzselektiven Obersteuerungseffekten, wenn nicht entsprechende Maßnahmen zur frequenzselektiven Begrenzung getroffen werden. Solche frequenzselektiven Begrenzer, die beispielsweise im Prospekt »Tonstudiotechnik« der Firma EMT vom 1.1.78 auf Seite 19 angegeben sind, bedingen ebenfalls einen erheblichen technischen Aufwand.

In Weiterbildung der Erfindung läßt sich eine solche frequenzselektive Amplitudenbegrenzung des Analogsignals in Abhängigkeit der Amplitudenanstiegsgeschwindigkeit neben der erfindungsgemäßen Frequenzbandbegrenzung dadurch in außerordentlich vorteilhafter Weise herbeiführen, daß die PCM-Differenzcodeworte hinter dem Auswerter fortlaufend mit einem Referenzcodewort verglichen und bei festgestellter Überlänge eines PCM-Differenzcodewortes dieses durch ein PCM-Differenzcodewort mit der vom Referenzcodewort vorgegebenen Wortgröße ersetzt wird, das seinem Inhalt nach den größten Amplitudenwert hat, der durch die ihm vorgegebene Codeelementezahl im verwendeten Code darstellbar ist. und zwar unter Berücksichtigung der Polarität des zu ersetzenden überlangen PCM - Dif f erenzcode wortes.

Durch diese Weiterbildung werden die für die Frequenzbandbegrenzung des Analogsignals in der Digitalebene erforderlichen eingangsseitigen Codier- und ausgangsseitigen Decodiercinrichtungen in außerordentlich vorteilhafter Weise gleichzeitig für die genannte frequenzselektive Amplitudenbegrenzung mit ausgenutzt Bei Anwendung einer digitalen Technik für die Aufzeichnung bzw. Übertragung von Tonprogrammen ergeben sich weitere Vorteile, weil hier die eingangsseitigen Codier- und die ausgangsseitigen Decodiereinrichtungen sowieso vorhanden sind.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 die schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Durchführung einer Frequenzbandbegrenzung nach der Erfindung,

F i g. 2 ein nähere Einzelheiten aufweisendes Blockschaltbild eines Auswerters nach Fig. 1,

Fig.3 eine Erweiterung des Blockschaltbildes nach F i g. 1 zur zusätzlichen frequenzselektiven Amplitudenbegrenzung in Abhängigkeit der Arrolitudenänderungsgeschwindigkeit,

F i g. 4 ein die Wirkungsweise der frequenzselektiven Amplitudenbegrenzung in der Anordnung nach F i g. 3 näher erläuterndes Diag.-imm.

Bei der Blockschaltbilddarstellung nach F i g. 1 wird das Analogsignal A 1 mit beispielsweise einer Signalbandbreite von wenigen Hz bis 16 kHz im Rhythmus einer Abtastfrequenz von beispielsweise 32 kHz abgetastet und unter Wahrung einer gleichmäßigen Quantisierung in PCM-Codeworte umgewandelt. Die PCM-Codewortfolge wird anschließend den beiden Eingängen des Differenzbildners DB zugeführt, und zwar einmal direkt und einmal über das Zeltverzögerungsglied T. dessen Verzögerungszeit gleich einem PCM-Codewort ist. Die im Differenzbildner DB gebildeten PCM-Differenzcodeworte werden dem Auswerter AWzugeführt. Der Auswerter A W besteht aus einem Schiebregister SR mit defl Stufen 7*1, 7*2, T3 ... ΤηΛ, Tn sowie dem Polarkätsfolgendiskriminatör PFD und der Logik LG. Die Logik LG ist mit Ein- Und Ausgängen der Schieberegisterstufen verbunden- Der Polaritätsfolgendiskriminator PFD steht seinerseits mit den Ausgängen der Schieberegisterstufen des Schieberegisters SR in Verbindung. Sobald er im Rhythmus der aufeinanderfolgenden PCM-Differenzcodeworte Polaritätswechselfal-

gen H 1- oder — H— feststellt, veranlaßt er über

seinen Ausgang die Logik LG zum Ersatz des die Polaritätswechselfolge bedingenden PCM-Differenzcodewortes durch ein PCM-Differenzcodewort entgegengesetzter Polarität mit einem Amplitudenwert, der aus den umgebenen PCM-Differenzcodeworten abgeleitet ist. Die auf diese Weise korrigierte PCM-Differenzcodewortfolge wird anschließend im Codewandler CW wiederum in PCM-Codeworte rückumgewandelt und die PCM-Codewortfolge dann im Decodierer Du" in das ursprüngliche Analogsignal A 2 rückumgesetzt.

Bei dem in Fig.2 dargestellten speziellen Ausführungsbeispiel eines Auswertes A W weist das Schieberegister SR lediglich drei Stufen 7*1, T2 und 7*3 auf. Die PCM-Differenzcodewortfolge wird dem Schieberegister SR in Paralleldarstellung der Codeelemente zugeführt. Jede der Schieberegisterstufen 7"1, T2 und T3 weist also eine der Codeelemewaahl entsprechende Zahl von Eingängen auf. Zwischen der Jchieberegisterstufe Γ2 und T3 befindet sich der Umschalter LJ, der ebenfalls eine der Anzahl der parallelen E^;n- und Ausgänge entsprechende Zahl von Umschaltkontakten aufweht. Der Polaritätsfolgendiskriminator PFD besteht im wesentlichen aus dem Äquivalenzglied AE, dessen drei Eingänge mit den Ausgängen der Schieberegisterstufen Ti, Tl und TZ verbunden sind, die das die Polarität anzeigende Hilfscodeelement der PCM-Differenzcodeworte anzeigen. Dabei sind diese Ausgänge, und zwar die der Schieberegisterstufen Ti und 73 unmittelbar und der betreffende Ausgang der .Schieberegisterstufe Γ2 über den Inverter / mit dem Äquivalenzglied AE verbunden. Der Ausgang des Äquivalenzgliedes ,4Fsteuert den Umschalter U, der in der angegebenen Schaltstellung die Ausgänge der Schieberegisterstufe T2 mit den Eingängen der Schieberegistsrstufe Ti verbindet.

Wie Fig. 2 weiter zeigt, besteht die Logik LG aus dem Differenzbildner D und dem Halbierer HR. über den der Differenzbildner D mit dem zweiten Kontakt des Umschalters LJ verbunden ist. Der Differenzbildner D bildet jeweils aus den in die Schieberegisierstufe Ti und die Schieberegisterstufe 7"2 eingespeicherten PCM-Differenzcodeworten ein Differenzwort, das nach seiner Halbierung im Halbierer HR für eine Eingabe in die Schieberegisterstufe 7"3 ansteht. Sobald das Äquivalenzglied AE durch gleiche Eingangssignale an seinen drei Eingängen eine Polaritätswechselfolge in der Aufeinanderfolge der PCM-Differenzcodeworte feststellt, schaltet sie den Umschalter t/in seine andere Schaltstellung und bewirkt damit, daß mit dem folgenden Taktimpuls des Taktes To das PCM-Differenzcodewort in der Schieberegisterstufe 7"2 bei der Fortschaltung unterdrückt wird und an seiner Stelle in die Schieberegisterstufe TZ das PCM-Differenzcodewort am Ausgang des Halbierers HR eingespeichert wird.

In der Schaltung nach Fig. 3 ist die Schaltung zur Ffequenzbandbegrenzung nach F i g. 1 durch einen Amplitudenbegrenzer zur freqUenzselektivsn Begren* zung des Analogsignals in Abhängigkeit seiner Amplitüdenänderungsgeschwindigkeit erweitert, wie sie für die Aufbereitung von Tonprogrammaterial zur Speicherung bzw, zur Übertragung durch Medien erforderlich ist, deren maximale Übertragungscharakteristik hinsichtlich der Größe der Amplitudenänderungsgeschwin-

digkeit des Signals frequenzabhängig ist. Diese Abhängigkeit der maximalen Übertragungscharakteristik wird, wie bereits erwähnt worden ist, durch die zur Verbesserung des Signal-Rauschabstandes angewendet te Preemphase bedingt. Die Preemphase hat zur Folge, daß bei hoher Dynamik des Signals im Bereich der angehobenen Frequenzanteile leicht eine Übersteuerung des Systems auftritt und damit nichtlineare Verzerrungen entstehen, die später nicht mehr vom eigentlichen Signal abgetrennt werden können.

Wie Fig.3 zeigt, wird die PCM-Differenzcodewortfolge aim Ausgang des Auswerters A W im Längenvergleicher Z.Vmit dem die fest vorgegebene Cödewortlän* ge festlegenden Referenzcodewort RC verglichen und in Abhängigkeit der Feststellung eines überlangen PCM-Differenzcodewortes am Ausgang des Längenvergleichers LV ein Umschalter Us betätigt. Im Ruhestand befindet sich der Umschalter US in der in Fi g. 3 dargestellten Schaltstellung, in der die PCM-Differenzcodeworte vorn Ausgang des Auswerters A Wim Längcnvcrglescher LV mit dem die fest "orgegeb^np Codewortlänge festlegenden Referenzcodewort RC verglichen und in Abhängigkeit der Feststellung eines überlangen PCM-Differenzcodewortes am Ausgang des Längenvergleichers L V ein Umschalter Us betätigt. Im Ruhezustand befindet sich der Umschalter US in der in F i g. 3 dargestellten Schaltstellung, in der die PCM-Dif· ferenzeodeworte vom Ausgang des Auswerters AW entweder über eine Übertragungsstrecke Ü zu einer Empfangseinrichtung E geleitet oder aber, wie die unterbrochene Linie andeutet, unmittelbar dem der Empfangseinrichtung E nachgeschalteten Codewandler CW zugeführt werden. Sobald der Umschalter Us vom Längenvergleicher LVbetätigt wird, wird das betreffende überlange PCM-Differenzcodewort durch das Referenzcodewort RC ersetzt, das hierbei den bei der vorgegebenen Codeelementezahl vom verwendeten Code darstellbaren maximalen Amplitudenwert aufweist. Die Rückumwandlung der PCM-Differenzcodewortfolge in das ursprüngliche Analogsignal A 2 erfolgt in der bereits im Zusammenhang mit F i g. 1 erwähnten Weise.

Im folgenden soll nunmehr noch anhand des Diagramms der F i g. 4 die Wirkungsweise der frequenzselektiven Amplitudenbegrenzung in Abhängigkeit der Amplitudenänderungsgeschwindigkeit noch näher erläutert werden.

Bei der Abtastung eines Analogsignals, beispielsweise eines Tonsignals mit einer oberen Grenzfrequenz h von 16 kHz im Rhythmus einer Abtastfrequenz fs von 32 kHz, wird ein Signalanteil einer vorgegebenen Frequenz während einer Periode um so öfter abgetastet, je niedriger die Frequenz dieses Signalanteils ist Die maximal mögliche Amplitudendifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastproben eines Tonsignals ist also inerster Näherung der Frequenz des Tonsignals proportionaL Die am Ausgang des Differenzwertbildners DB auftretenden PCM-Differenzcodeworte ergeben beim Längetivergleich mit dem Referenzcodewort RC nur dann Überlange PCM-DifiefenzcodeWorte, wenn schnelle Amplitudenänderungen im Bereich der hohen Frequenzen des Tonsignals auftreten. Die erforderliche Begrenzung eines solchen überlangen PCM-DifferenzcodeWörtes auf die Codeelementzahl des Referenzcodewortes RC, und zwar in der Weise, daß anstelle des überlangen PCM-Differenzcodewortes der bei der Länge des Refefenzcodewortes darstellbare maximale Amplitudenweft in PCM-Differenzcodewort-Darstellung tritt, wirkt sich beim zurückgewonnenen Analogsignal A 2 am Ausgang des Decodierers Danach Fig.3 in einer Absenkung der Amplituden der Signalanteile im Bereich der höheren Frequenzen entsprechend dem Diagramm nach F i g. 4 aus.

Im Diagramm nach Fig.4 ist über einer logarithmischen Frequenzskala in den Grenzen von 10²Hz bis 4 · ICH Hz die Pegelabsenkung, ausgehend vom Normalpegel, 0 dB bis - 42 dB aufgetragen, und zwar für die Fälle, in denen die Reduktion des überlangen PCM-Differpnzcndewortes um 1.2.3.4 oder 5 Codeelemente CE vorgenommen ist. Diese Codeelementreduzierung ist auf der rechten Seite im Diagramm der Fig.4 angegeben. Sie stellt gleichsam den Parameter für die Kurven dar, die sich im Diagramm als in Richtung höherer Frequenzen abfallende Geraden darstellen. Danach ergibt sich bei Reduktion um ein Codeelement CE bei einem Tonsignal bei der Eckfrequenz Ig des das Tonsignal begrenzenden Tiefpasses noch keine Begrenzung der Amplitude. Da jedes weggelassene Codeelement eine Pegelabsenkung, bezogen auf die Abtastfrequenz fs von 6 dB mit sich bringt, ergibt sich somit bei einer Codeelementreduzierung um zwei Codeelemente CE bei der Eckfrequenz fg ei^e Reduzierung der Maximalamplitude auf den halben Wert. Amplituden von Tönen, deren Frequenzen gleich oder kleiner als ein Viertel der Abtastfrequenz fs sind, werden davon nicht mehr berührt, weil die maximal auftretenden Amplitudendifferenzwerte in diesem Frequenzbereich bei der hier vorgegebenen Länge des Referenzcodewortes voll darstellbar sind, also einer Länge, die gegenüber einer Referenzcodewortlänge für eine nicht reduzierte Übertragung um zwei Codeelemente gekürzt ist Wie F i g. 4 feme·· zeigt, ergibt sich bei einer Kürzung um 5 O -Ie-. \. icitie CF ein linearer Dämpfungsabfall ab einer Tonfrequenz, die einem Zweiunddreißigstcl der Abtastfrequenz ft entspricht

Da üblicherweise die bei der Aufbereitung von Tonprogrammen vorgenommene Anhebung der Frequenzen im oberen Bereich des Tonsignals pro Oktave mit 6 dB erfolgt stellt die Schaltung nach F i g. 3 auch einen idealen frequenzselektiven Amplitudenbegrenzer dar, dessen abfallende Kennlinien jeweils Ber-iche konstanter Amplitudenänderungsgeschwindigkeit bilden. Die senkrecht zu diesen Kennlinien eingezeichnete Mehrfachpfeillinie P/gibt die stufenweise Änderung der Amplitudenänderungsgeschwindigkeit in Richtung abnehmender Werte ah.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Unterdrückung unerwünschter Frequenzanteile eines Analogsignals oberhalb der oberen Frequenzgrenze seines Nutzfrequenzbereiches, dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal (A 1) unter Beachtung des Abtasttheorems im Rhythmus einer Abtastfrequenz (fs) abgetastet und die so gewonnenen Augenblickswerte in PCM-Codeworte umgesetzt und anschließend aus jeweils zwei aufeinanderfolgenden PCM-Codeworten durch Differenzbildung PCM-Differenzcodeworte gebildet werden, die jeweils ein die Polarität anzeigendes Hilfscodeelement aufweisen, daß ferner diese PCM-Differenzccdeworte einen Auswerter (AW) mit einem Polaritätsfolgendiskriminator (PFD) zugeleitet werden, der in Abhängigkeit von wenigstens zwei im Rhythmus der Abtastfrerjvenz hintereinander auftretenden Polaritätswechscin das jeweils mittlere PCM-Differenzcodewort durch ein PCM-Differenzcodewort umgekehrter Polarität ersetzt, das wenigstens aus dem unmittelbar vorausgehenden und unmittelbar nachfolgenden PCM-Differenzcodewort abgeleitet wird und daß die in dieser Weise modifizierte PCM-Differenzcodewortfolge schließlich in das ursprüngliche Analogsignal (A 2) rückgewandelt wird.

2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das PCM-Differenzcodewort umgekehrter Polarität wenigstens aus dem unmittelbar vorausgehenden und unmittelbar nachfolgenden PCM-Differenzcodewort dich Mittelwertbildung gewonnen ist

3. Verfahren nach Ansprue 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen frequenzselektiven Amplitudenbegrenzung das Analogsignal in Abhängigkeit der Amplitudenänderungsgeschwindigkeit die PCM-Differenzcodeworte hinter dem Auswerter (A W) fortlaufend mit einem Referenzcodewort (RC) verglichen und bei festgestellter Überlänge eines PCM-Differenzcodeworts dieses durch ein PCM-Differenzcodewort mit der vom Referenzcodewort vorgegebenen Wortgröße ersetzt wird, das seinem Inhalt nach den größten Amplitudenwert hat. der durch die ihm vorgegebene Codeelementzahl im verwendeten Code darstellbar ist, und zwar unter Berücksichtigung der Polarität des zu ersetzenden überlangen PCM-Differenzcodewortes.